Szignálok, Adatok, Információ Számítógépes Hálózatok 2008 3. Alapfogalmak, Fizikai réteg: Digitális kódok, önütemező kódok, alapsáv, szélessáv, moduláció, vezetékes és vezeték nélküli átvitel Információ Emberi interpretáció, pl. szép idő Adatok Formális prezentáció, pl. 28 Celsius, csapadékmennyiség 0cm, felhősödés 0% Szignál Adatok reprezentációja fizikai változók által, pl. áram a hőmérő szenzorban, Videoszignál a kamerából Példák szignálokra: áram, feszültség, hullámhossz, frekvencia A digitális világban a szignálok biteket reprezentálnak 1 2 Unicast, Multicast, Broadcast Hálózatok mérete Unicast (pont-pont átvitel) pl. telefon Pontosan két résztvevő kommunikál egymással direkt Broadcast (egytől-mindekinek) pl. rádió, tv Egy adó küld szignálokat minden fogadóhoz Multicast (egytől-többnek) pl. telefonkonferencia, Video on demand Egy küldő küld fogadók egy kiválasztott halmazának (Tanenbaum) 3 4
Local Area Networks (LAN) Metropolitan Area Networks (MAN) TV-kábel alapú hálózat Busz Gyűrű (Tanenbaum) (Tanenbaum) 5 6 Wide Area Networks (WAN) Wide Area Networks LAN-ok összekapcsolása Subnet-tel Adatfolyam a WAN-ben (Tanenbaum) (Tanenbaum) 7 8
Fizikai réteg (Physical Layer) Fizikai Réteg ISO-definíció A fizikai réteg definiál mechanikus, elektronikus, funkcionális és procedurális tulajdonságokat egy fizikai kapcsolat felépítéséhez, fenntartásáshoz és befejezéséhez. 9 10 Legegyszerűbb bitátvitel Egy b betű átvitele Bit 1: áram bekapcsolva Bit 0: áram kikapcsolva 1. réteg Bitből feszültség bit 1: kapcsoló - + felkapcsolva bit 0: kapcsoló lekapcsolva 1. réteg Feszültségből bit feszültség: bit 1 nincs feszültség: bit 0 A b karakterhez több bit szükséges pl. a b ASCII kódja bináris számként 01100010 A feszültség változása: feszültség Fizikai kapcsolat idő 11 12
Szimbólumok és bitek Önütemező kódolások Az adatátvitelhez bitek helyett más szimbólumokat is használhatunk Pl. 4 szimbólum: A,B,C,D, ahol A=00, B=01, C=10, D=11 Szimbólum Mértékegység: Baud Szimbólumok száma másodpercenként Adatráta Mértékegység: bit per másodperc (bit/s) Példa 2400 bit/s Modem megfelel 600 Baud-nak (16 szimbólumot használ) Symbol value 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 Tim e 0 1 1 0 0 0 1 0 Mikor kell szignálokat mérni? Tipikusan egy szimbólum közepén Mikor kezdődik egy szimbólum? A szimbólum hossza szokásosan előre meghatározott. A fogadónak a bit-szinten szinkronizáltnak kell lenni a küldővel Pl. Frame Synchronization által 13 14 Szinkronizáció Mi történik, ha csak egyszerűen órát használunk a szinkronizáláshoz? Probléma Az órák másképp mennek (egyik kicsit gyorsabb, másik kicsit lassabb) Nincs két olyan (megfizethető) óra, ami szinkron marad Hiba szinkronizáció elvesztése miatt (NRZ): küldő: 1 0 1 1 0 1 0 0 1 csatorna Fogadó (gyorabb órával) 1 0 1 1 0 1 1 0 0 A szinkronizáció megoldása Felügyelet nélkül nincs szinkronizáció Megoldás: explicit órajel Párhuzamos átvitelt igényel egy külön csatornán Szinkronizáltnak kell lennie az adatokkal Csak rövid átvitel esetén ésszerű Szinkronizáció kritikus időpontokban Pl. egy szimbólum vagy egy blokk kezdetén Egyébként teljesesen szabadon futnak az órák Megbízik abban, hogy az órák rövid ideig szinkron futnak Órajel a szimbólumok kódolásából 15 16
Önütemező kódok pl. Manchester kód (Biphase Level) 1 = magasról alacsonyra váltás az intervallum közepén 0 = alacsonyról magasra váltás az intervallum közepén Adatok Daten: Manchester 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 A szignál tartalmazza a szinkronizáláshoz szükséges információt Digitális kódok Non-Return to Zero-Level (NRZ-L) 1 = magas feszültég, 0 = alacsony Non-Return to Zero-Mark (NRZ-M) 1 = váltás az intervallum elején 0 = nincs váltás Non-Return to Zero-Space (NRZ-S) 1 = nincs váltás az intervallum elején 0 = váltás az intervallum elején Return to Zero (RZ) 1 = négyszögimpulzus az interv. elején 0 = nincs négyszögimpulzus Manchester Code (Biphase Level) 1 = magasról alacsonyra váltás az intervallum közepén 0 = alacsonyról magasra váltás 17 18 Digitális kódok Feladat Biphase-Mark Minden intervallum elején váltás 1 = még egy váltás az intervallum közepén 0 = nincs váltás az intervallum közepén Biphase-Space Minden intervallum elején váltás 1/0 fordítva, mint a Biphase-Mark Differential Manchester-Code Minden intervallum közepén váltás 1 = nincs váltás az intervallum elején 0 = váltás az intervallum elején Delay Modulation (Miller) 1 = váltás az intervallum közepén 0 = Váltás az intervallum végén, ha 0 következik, nincs váltás, ha 1 következik Bipolar 1 = négyszögimpulzus az intervallum első felében, melynek iránya alternál (váltakozik) 0 = nincs négyszögimpulzus Mely kódok önütemezők? 19 20
Fizikai alapok Mozgó elektromosan feltöltött részecskék elektromágneses hullámokat keltenek Frekvencia f : oszcillációk száma másodpercenként mértékegység: Hertz Hullámhossz λ: távolság (méterben) két egymást követő hullámmaximum között Antenna által kelthető illetve fogható elektromágneses hullám Elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban konstans: fénysebesség c 3 10 8 m/s Összefüggés: λ f = c Amplitudó ábrázolás Egy sinus-rezgés amplitudó ábrázolása A: Amplitúdó ϕ: Fáziseltolás f : Frekvencia = 1/T T: Periódus -ϕ/2πf A t T 21 22 Alapsáv és szélessáv Egy digitális alapsávú átvitel struktúrája Alapsáv (baseband) A digitális szignál direkt árammá vagy feszültségváltozássá alakítódik A szignál minden frekvenciával átvitelre kerül Pl. NRZ-vel (feszültség magas = 1, feszültség alacsony = 0) Probléma: Átviteli korlátok Szélessáv (broadband) Az adatok egy széles frekvencia-tartományban kerülnek átvitelre Lehetőségek: Az adatokat egy vivőhullámra tehetjük (Amplitúdó moduláció) A vivőhullámot megváltoztathatjuk (Frekvencia / fázis moduláció) Különböző vivőhullámokat egyidejűleg használhatunk fel Forrás kódolás Redundáns vagy nem releváns információk eltávolítása Pl. vesztéssel járó tömörítéssel (MP3, MPEG 4) vagy vesztés nélküli tömörítéssel (Huffman-kód) kódolás Forrásbitek leképezése csatorna szimbólumokra Esetleg redundancia hozzáadásával, amit a csatorna tulajdonságaihoz igazítunk Fizikai átvitel Fizikai eseményekké konvertáljuk adatforrás adatcél Forrás kódolás Forrás bitek Forrás dekódolás kódolás szimbólumok dekódolás Fizikai átvitel Fizikai vétel Médium 23 24
Egy digitális szélessávú átvitel struktúrája Szélessáv MOdulation/DEModulation A csatornaszimbólumok lefordítása amplitudó modulációval fázis modulációval frekvencia modulációval vagy ezek egy kombinációjával adatforrás adatcél Forrás kódolás Forrás bitek Forrás dekódolás kódolás szimbólumok dekódolás Moduláció Hullám formák véges halmaza Demoduláció Fizikai átvitel Fizikai vétel Médium Ötlet: A közeg ideális Frekvenciáira koncentrálunk Egy sinus-görbét használunk mint vivőhullámot a szignáloknak Egy sinusgörbe nem tartalmaz információt Az adatátvitelhez a sinusgörbét folyamatosan meg kell változtatni (modulálni) spektrális bővítés által (több frekvencia a Fourier-analízisben) A következő paraméterek változtathatók meg: Amplitúdó A Frekvencia f=1/t T A t Fázis φ -ϕ/2πf 25 26 Amplitúdó-moduláció Frekvencia-moduláció Az időben változó szignált s(t) a sinusgörbe amplitúdójaként kódoljuk: Az időben változó s(t) szignált a sinus görbe frekvenciájában kódoljuk: Analóg szignál: Amplitúdó-moduláció A szignál folytonos függvénye az időnek Pl. második hosszabb hullámjel (hanghullám) Digitális szignál: Amplitúdó keying A szignál erőssége egy diszkrét halmaz értékeinek megfelelően változik Speciális eset: diszkrét halmaz: {0,1} on/off keying Analóg szignál: Frekvencia-moduláció Az idő folytonos függvénye Digitális szignál Frekvencia-eltolás keying (frequency shift keying, FSK) Pl. egy diszkrét halmaz elemeihez (szimbólumaihoz) különböző frekvenciákat rendelünk 27 28
Fázis-moduláció Az időben változó s(t) szignált a sinus görbe fázisában kódoljuk: Analóg szignál: Fázis-moduláció Nagyon előnytelen tulajdonságok Nem használják Digitális szignál: Fáziseltolás keying (phase-shift keying, PSK) Pl. egy diszkrét halmaz elemeihez különböző fázisokat rendelünk PSK különböző szimbólumokkal Fáziseltolódások nagyon könnyen felismerhetők a fogadó által Egy diszkrét halmaz különböző szimbólumainak a kódolása nagyon egyszerű Használjunk pl. π/4, 3/4π, 5/4π, 7/4π fáziseltolást (4 szimbólumhoz) Rika: 0 fáziseltolás (szinkronizáció miatt) 4 szimbólum esetén az adatráta kétszer akkora mint a szimbólumráta Ezen módszer neve Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) 29 30 Amplitúdó- és fázis-moduláció Digitális és analóg szignálok összehasonlítása Amplitúdó- és fázis-moduláció kombinálható Pl.: QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation) 16 különböző fázis-amplitúdó kombinációt használunk, minden szimbólumhoz egyet Minden szimbólum 4 bitet kódol (2 4 = 16) Az adatráta tehát négyszer akkora, mint a szimbólumráta 180 Digitális átvitel Diszkrét szignálok véges halmaza Pl. feszültség értékek / áramerősség értékek véges halmaza Analóg átvitel Szignálok végtelen (folytonos) halmaza Pl. a szignál a feszültségnek vagy az áramerősségnek felel meg a vezetékben Digitális szignálok előnyei: Lehetőség van a vételpontosság helyreállítására és az eredeti szignál rekonstruálására Analóg átvitel esetén fellépő hibák önmagukat felerősíthetik 31 32
Bithiba gyakoriság és szignál-zaj arány Minél nagyobb a szignál-zaj arány (signal-to-noise ratio - SNR), annál kevesebb hiba lép fel Bithiba gyakoriság (bit error rate - BER) A hibásan fogadott bitek részaránya Függ a szignál erőségétől, a zajtól, az átviteli sebességtől, a felhasznált módszertől A bithiba (BER) tipikusan függ a szignál-zaj aránytól (SNR) Pl.: DPSK (differential phase-shift keying) Fizikai médiumok Vezetékhez kötött átvitel Rézvezeték sodort érpár (twisted pair) Rézvezeték Koaxiális kábel Üvegszál Vezeték nélküli átvitel Rádióhullám Mikrohullám Infravörös Fényhullámok 33 34 Sodort érpár (Twisted Pair TP) Koaxialkabel. (a) Category 3 UTP. (b) Category 5 UTP. 35 36
Optikai kábel (üvegszál) Üvegszál (a) Egy egyszerű szál oldalnézete (b) Egy hármas-üvegszálköteg metszete Snellius törvénye: Elhajlás és tükröződés a levegő/üveg határon különböző szögeknél A fény a tükrözödés miatt az üvegben marad teljesen 37 38 Optikai hálózatok Az elektromágneses spektrum Üvegszál gyűrű aktív ismétlőkkel (repeater-ekkel) Vezetékhez kötött átviteli technikák twisted pair koaxiális kábel optikai üvegszál Hz 10 3 10 5 10 7 10 9 10 11 10 13 10 15 hosszúhullámú rövidhullám rádio középhullámú TV rádió mikrohullám infravörös látható fény Nem vezetékhez kötött átviteli technikák 39 40